Intel napędza pierwszego satelitę z SI na pokładzie

Aż do 2 września 2020 roku, kiedy Europejska Agencja Kosmiczna (ESA), wystrzeliła eksperymentalnego satelitę o wielkości podobnej do komputera osobistego. Nazywa się PhitSat-1 i okrąża Ziemię po orbicie heliosynchronicznej z prędkością ponad 27 500 km/h na wysokości około 530 km.

PhiSat-1 jest wyposażony w nowoczesną kamerę wielospektralną i możliwość przetwarzania danych na pokładzie dzięki układowi VPU Intel Movidius Myriad 2. Taki sam chip zamontowano w wielu inteligentnych kamerach, a nawet w niedrogich dronach z funkcją selfie. PhiSat-1 jest jedną częścią pary satelitów realizujących misję monitorowania pokrywy lodowej i wilgotności gleby w rejonach polarnych. Jednocześnie testuje system komunikacji między satelitami, który w przyszłości pomoże stworzyć sieć współpracujących satelitów.

Układ Myriad 2 pomaga rozwiązać problem z ogromem danych generowanych przez wielospektralną kamerę.

- Ilość danych produkowanych przez sensory powiększa się stukrotnie z generacji na generację, podczas gdy możliwości pobierania danych wzrastają tylko trzy, cztero- czy pięciokrotnie w każdej generacji - powiedział Gianluca Furano, główny projektant systemów przechowywania i opracowania danych w Europejskiej Agencji Kosmicznej, która przewodziła procesowi konstruowania PhiSat-1.

Jednocześnie w dowolnym analizowanym momencie około dwie trzecie powierzchni Ziemi  zawsze jest pokryte chmurami. To znaczy, że zwykle wykonuje się mnóstwo nieprzydatnych zdjęć chmur, następnie zapisuje się je, przesyła na Ziemię przez niskoprzepustowe łącze i zapisuje ponownie - aż naukowiec lub algorytm, często dopiero po kilku dniach, przejrzą je i skasują.

- Sztuczna inteligencja przyszła nam na ratunek jak kawaleria w westernie - dodał Gianluca Furano.

Zespół projektowy satelity skoncentrował się na pomyśle zakładającym identyfikowanie i odrzucanie zdjęć chmur już na pokładzie satelity, dzięki czemu można było przesyłać ok. 30 proc. mniej danych.

- Kosmos jest skrajnym brzegiem sieci. Chip Myriad został zaprojektowany z myślą o imponujących możliwościach obliczeniowych i bardzo niskim budżecie energetycznym, a to doskonale pasuje do zastosowań kosmicznych - powiedziała Aubrey Dunne, CTO firmy Ubotica, który wspólnie z firmą Cosine, producentem kamery wielospektralnej, zbudowała system komputerowy i oprogramowanie satelity PhiSat-1.

Chip Myriad 2 nie był jednak przeznaczony do działania na orbicie. Komputery w pojazdach kosmicznych zwykle używają specjalnych chipów zabezpieczonych przed promieniowaniem, które są pod pewnymi względami "nawet o dwie dekady zacofane względem najbardziej zaawansowanej popularnej technologii". Przetwarzanie SI jeszcze do nich nie trafiło.

Dunne i jego zespół zbadali, jak chip Myriad zachowuje się wystawiony na promieniowanie, poddając go serii testów i sprawdzając, jak można poradzić sobie z powstającymi błędami i jego eksploatacją.

- ESA nigdy nie sprawdzała wpływu promieniowania na chip o tak dużej złożoności. Mieliśmy wątpliwości, czy będziemy w stanie przetestować go właściwie, musieliśmy stworzyć od zera kompendium wiedzy o testowaniu takich chipów - wyjaśnił Furano.

Pierwszy z tych testów, czyli nieprzerwane naświetlanie chipu wiązką promieniowania przez 36 godzin w CERN, w 2018 roku, "był bardzo stresującą sytuacją". Ten i dwa kolejne testy zakończyły się korzystnie. Chip Myriad 2 przeszedł je w typowej, seryjnej formie, bez żadnych modyfikacji. Ten niskoenergetyczny, wysokowydajny chip do komputerowej obróbki obrazu był gotów na podróż poza atmosferę Ziemi. Czekało jednak na niego jeszcze jedno wyzwanie.

Algorytmy SI są zwykle tworzone, czy też uczone, na podstawie bardzo dużej ilości danych - przykładów. W tym przypadku przykłady musiały określać, co jest chmurą, a co nie.

Cały proces łączenia sprzętu z oprogramowaniem i okres testów, w który wkład miało sześć różnych organizacji w całej Europie, zajął cztery miesiące.

- Byliśmy bardzo dumni, że mogliśmy wykazać się elastycznością i szybkością oraz złożyć wszystko w tak krótkim czasie - powiedział Max Pastena, odpowiedzialny w ESA za satelity PhiSat.

Niestety pojawił się szereg niepowiązanych okoliczności: opóźnienia w starcie rakiety, pandemia koronawirusa i niesprzyjające letnie wiatry. To spowodowało, że twórcy satelity musieli czekać ponad rok, aby przekonać się, czy PhiSat-1 będzie działał na orbicie zgodnie z planem.

Pierwszy wspólny start mikrosatelitów zorganizowany przez Arianespace, odbył się 2 września 2020 roku. Przebiegł szybko i bez problemów. Jako wstępny sprawdzian satelita wykonał zdjęcia i zapisał je wszystkie razem z wynikiem działania swojego własnego algorytmu wykrywania chmur. Ekipa naziemna mogła sprawdzić, że wbudowany w niego "mózg" działał zgodnie z oczekiwaniami. Po trzech tygodniach wstrzymanego oddechu Pastena mógł zadeklarować: "Zapisaliśmy się w historii eksploracji kosmosu".

ESA ogłosiła, że zespół PhiSat "z radością zademonstrował pierwsze na świecie sprzętowe wspomaganie przetwarzania obrazów na pokładzie satelity za pomocą technik SI". Dzięki przesyłaniu tylko użytecznych pikseli satelita "poprawi wykorzystanie pasma przesyłania danych i znacznie zmniejszy koszty pobierania danych" - nie mówiąc już o oszczędności czasu pracy naukowców na Ziemi.

W przyszłości zastosowania dla tanich, wspomaganych technologią SI mikrosatelitów mogą być niezliczone, szczególnie kiedy wykorzysta się możliwość wykonywania przez nie wielu zadań.

- Zamiast wbudowywać w satelity wyspecjalizowany sprzęt, który wykonuje tylko jedno zadanie, możemy przełączać się pomiędzy modelami sieci neuronowych - wyjaśnił Jonathan Byrne, szef biura projektowego Intel Movidius.

Podczas przelotu nad terenami narażonymi na pożary satelita może wykrywać ogień i poinformować lokalne służby w ciągu minut, nie godzin. Nad oceanami, zwykle ignorowanymi przez kosmiczne obserwatoria, satelita może wykrywać "pirackie statki" lub wypadki ekologiczne. Nad lasami i terenami rolniczymi satelita może badać wilgotność gleby i wzrost roślinności. A nad pokrywą lodową może rejestrować jej grubość i wykrywać gromadzącą się wodę z roztopów, co może pomóc śledzić zmiany klimatyczne.

Wiele z tych możliwości zostanie wkrótce przetestowanych, ESA i Ubotica współpracują obecnie nad satelitą PhiSat-2, który wyniesie na orbitę kolejny chip Myriad 2. Na PhiSat-2 będzie można wykonywać programy wspomagane SI, stworzone, zainstalowane, przetestowane i wykorzystane w działaniu w trakcie trwania lotu satelity, to wszystko z wykorzystaniem prostego interfejsu użytkownika.